Ваљање

Приказ рада уздужног ваљања.

Ваљани комад увлачи се у зазор услед сила трења између ваљака који се октећу у супротним правцима. При томе се ваљаном комаду смањује висина, повећава ширина и дужина, а преек добија облик отвора (калибра) између ваљака.

Ваљање профила.

Жица добијена ваљањем.

Разни профили добијени ваљањем.

Ваљаонички станови могу бити: А. дуо ваљаонички стан; Б. трио ваљаонички стан; C. кватро ваљаонички стан; D. Е и Ф.: ваљаонички станови са системом од више ваљака.

Ваљаонички станови.

Бешавне челичне цеви.

Дијаграм напрезања за нискоугљенични челик. Хукеов закон вреди у почетном подручју од 0 до доње границе развлачења(2).
1. Затезна чврстоћа материјала
2. Граница развлачења или σ_0,2
3. Лом материјала
4. Подручје пластичних деформација
5. Подручје клонулости
А: Теоретски дијаграм растезања
Б: Стварни дијаграм растезања (Ф/А)

Ваљаонички стан за хладно ваљање танких лимова од месинга.

Ваљање је један од поступака обликовања метала деформисањем, код којега се одливном блоку (инготу) пропуштањем између окрећућих ваљака смањује пресек и даје жељени облик, уз истовремено побољшање механичких својстава. Од свих поступака пластичне деформације, највећу примену има ваљање. Поступак започиње ваљањем ингота у полупроизводе. Док обрадак пролази између ваљака долази до деформирања материјала. У зони деформације материјал не пролази свугде истом брзином којом ротирају ваљци. Ободна брзина ваљка може бити већа, иста или спорија од брзине пролаза материјала у зони деформације.

Ваљање је могуће у топлом и хладном стању. Материјали већег пресека ваљају се претежно у топлом стању, због веће пластичности и могућности пуно већих редукција пресека, те мањих сила и мањег утрошка рада. Материјали мањег пресека ваљају се претежно у хладном стању, јер се постиже глађа површина, ужа толеранција и већа тврдоћа материјала.

Врсте ваљања

Разликују се три поступка ваљања:

• уздужно ваљање: ваљани комад увлачи се у зазор услед сила трења између ваљака који се окрећу у супротним правцима. При томе се ваљаном комаду смањује висина, повећава ширина и дужина, а пресек добива облик отвора (калибра) између ваљака.
• попречно ваљање: ваљци се окрећу у истом смеру. Комад се у ваљцима држи помоћу посебног уређаја. Деформација материјала остварује се уздуж осе ваљаног комада. Попречним ваљањем производе се профили који чине ротацијска тела као што су кугле, зупчаници и сл.
• косо ваљање: ваљани комад добија ротационо кретање од ваљака који се као и код попречног ваљања окрећу у истом смеру. Осим тога, комад добија постепено кретање у правцу своје осе и то захваљујући томе што осе ваљака с избоченим радним површинама не леже у једној вертикалној равни, него под неким углом. Код дисковних ваљака осе диска леже у једној вертикалној равни и паралелне су међу собом, али је оса ваљаног комада помакнута од осе равнине ваљака. При ваљању се комад креће и постепено улази у сужавајући отвор међу ваљцима при чему се остварује редукција пресека, а такође се може стварати и шупљина у централном делу ваљаног комада.

Ваљци су алати за ваљање и деле се на:

• равне ваљке за лимове, плоче, траке;
• профилне ваљке; ваља се жељени облик у једном пролазу или у више пролаза (фаза);
• ваљке са гравуром; једна страна обратка може имати гравуру (испупчену или упуштену), док је друга страна обратка равна (са гравуром истом или различитом),
• калибар ваљке.

Ваљаонички производи

Ваљањем се производе лимови, траке, фолије, шипке, профили, цеви. Основна подела ваљаоничких производа:

• лимови; могу се ваљати у хладном или топлом стању: танки дебљине до 3 мм, средњи дебљине од 3 – 4,75 мм, дебели дебљине преко 5 мм. Подврста лимова су фолије дебљине 0,1 мм, 0,01 мм, 0,007 мм фолије за домаћинство, 0,005 мм , те 0,002 мм златне фолије.
• полупроизводи:

• блум је производ квадратног или правоугаоног облика неправилних површина, заобљених бридова, димензија страница а > 125 мм и однос а : б =1 : 1 до 1 : 2;
• слаб је производ правоугаоног облика најмање димензије страница а > 40 мм и однос а : б > 1 : 2;
• платина је производ правоугаоног пресека највеће дебљине 40 мм, а најмање ширине 150 мм. Ширина платине мора бити најмање 4 пута већа од дебљине. Из платина се даље могу ваљају танки лимови. Страница а < 40мм и однос а : б >1 : 4;
• квадратне гредице су производи различитих димензија страница од 50 до 125 мм;
• плоснате гредице су производи правоугаоног пресека дебљине од 30 – 40 мм и ширине 50 – 100 мм;

• траке су производи који се израђују у различитим димензијама. Ширине могу прелазити и 600 мм. Дебљине трака могу бити од 0,08 мм до 5 мм.
• ваљани профили се израђују у различитим пресецима:

• округли профил пречника од 6 до 125 мм;
• квадратни профил са страницом од 8 до 125 мм;
• правоугаони профил се јавља у више облика; плоснати, широки плоснати, тракасти;
• шестоугаони профил се ваља у димензијама виљушкастог кључа од 10 до 80 мм;
• L профил;
• Т профил;
• У профил;
• Омега профил
• I носач, Х носач;
• специјални профили.

• жице настају као коначни производ топло ваљаног округлог профила. Крајњи облик постиже се провлачењем. Жице се деле према пречнику на:

• фину жицу пречника од 0,1 до 1 мм;
• танку жицу пречника од 1,2 до 1,8 мм;
• средњу жицу пречника од 2 до 4,6 мм;
• дебелу жицу пречника од 5 до 14 мм.

Ваљаонички станови

Ваљаонички станови или машине за ваљање разликују се по броју ваљака, смештају ваљака, смеру вртње и намени:

• Дуо ваљаонички станови имају два ваљка који могу бити по смеру вртње: повратни (реверзибилни) или неповратни (иреверзибилни). Оба ваљка су покретна, односно у пригону се погонско вратило дели на два вратила, која се окрећу у супротном смеру и спојена су на ваљке. Ваљање дуо ваљцима је искључиво у топлом стању;
• Трио ваљаонички станови имају три ваљка који могу бити: сва три ваљка истог пречника или средњи ваљак мањег пречник. Погонски ваљци су спољашњи. Ако је средњи ваљак мањег пречника онда ваљаонички стан ваља лимове;
• Кватро ваљаонички станови имају два пара ваљака. Сполашњи пар су већи ваљци, који служе за смањење прогиба. Унутарњи ваљци су погонски, могу бити повратни (реверзибилни) или неповратни (иреверзибилни). Служе за ваљање лимова;
• Ваљаонички станови са системом од више ваљака ваљају лимове и фолије у хладном стању. Погонски ваљци су унутарњи пар ваљака, док сви остали служе за смањење прогиба и што тачније и прецизније ваљање.

Ваљање цеви

Цеви се деле на шавне и бешавне цеви и према томе се деле и начини њихове производње. Бешавне цеви служе за већа оптерећења, имају боља механичка својства и висок ступањ сигурности. Њихова производња се дели у два корака: производње тзв. цевнице и ваљање цевнице у коначни облик цеви. Након израде цеви следе завршни поступци: калибрисање на тачне завршне мере, давање глаткоће површине (унутарње и спољашње), смањивање или повећавање пречника цеви, равнање, савијање.

Цевница се израђује:

• Манесмановим поступком: бушењем усијаног сировца у ротирајући трупац помоћу ваљака купастог или гљивастог облика и трна.
• Ердардтовим поступком: утискивањем трна у усијани трупац који је укљештен у чељусти (блок).

Бешавне цеви

Производња бешавних цеви из цевнице наставља се на један од следећих начина:

• Пилгеровање цеви; у цевницу се уметне трн. Цевница се с трном постави између посебно калибрираних ваљака. Ваљци се ротирају и захвате део цеви. По захвату дела цеви почиње ваљање само тог дела у цијев са мањом зидом. Након завршетка ваљања дела цеви, она се помиче за потребан корак, те поновно долази до захвата. Поступак се понавља док цела цевница не буде разваљана. Недостатак је тешко вађење трнова по завршетку ваљања.
• Континуирани поступак ваљања цеви: у цевницу се уметне трн. Цевница пролази кроз 7 - 9 пари калибрисаних ваљака, који су постављени наизменично са водоравним и вертикалним осама због смањења надебљања, која настају на местима састајања ваљака. Предност овог поступка је велика продуктивност и велика радна брзина;
• Ерхардтов поступак израде цеви: дебље цеви се стањују у топлом стању провлачењем кроз систем матрица док је у њима трн.

Шавне цеви

Шавне цеви служе за нископритисне инсталације. Производе се у хладном (цеви танких зидова) и топлом стању (дебелозидне цеви). Поступак има два корака: постепено савијање металне траке у цев кроз систем калибрисаних ваљака, те заваривање рубова. Након ова два главна корака, може се наставити са калибрисањем, равнањем, смањењем профила или повећањем пречника.

Пластична својства материјала

Спољашње силе које делују на неко тело мењају димензије и облик тог тела. Промена облика може бити еластична или пластична тј. промене се састоје од повратних или еластичних деформација и неповратних или пластичних деформација.

Код еластичне промене облика, по престанку деловања спољашње силе, обрадак се враћа у првобитни облик; у телу су се појавиле еластичне деформације, које нестају престанком узрока деформисања.

Пластичне деформације узрокују промену изгледа обратка. Силе су тако велике да прелазе издржљивост материјала (граница развлачења или граница течења материјала) и предмет се почиње мењати. Материјал под деловањем велике силе почиње да „теће“ и долази до промене облика. Промене облика и димензија повезане су у микроструктури материјала с променом кристалног зрна и кристалних решетака, те због тога и промена механичко физичких својстава материјала. Све те промене зависе од:

• ступња деформације
• брзине деформације
• температуре

Ступањ деформације

Машина за ваљање из 1813. године

Ако је шипка или штап од неког еластичног материјала, она се може посматрати као опругу. Шипка има дужину L и попречни пресек A. Ако се шипку развлачи са неком силом F, онда у њој настаје напрезање σ, које се опире спољашњој сили. Тада се Хукеов закон може записати у облику:

$\sigma =E\varepsilon$

или

$\Delta L={\frac {F}{EA}}L={\frac {\sigma }{E}}L.$

где је: σ – напрезање у шипки или штапу (N/mm²), E – Јангов модул еластичности (N/mm²), ε – однос продужења (ступањ деформације) шипке или штапа и њене дужине (без димензије или ΔL / L), L – дужина штапа, ΔL - продужење шипке или штапа (mm), F – сила која продужава шипку или штап (N), A – попречни пресек шипке или штапа (mm²).

Хуков закон вреди само у одређеном подручју неког материјала, које се назива еластично подручје. За челик је еластично подручје све до границе развлачења или где та граница није јасно одређена, до границе пластичности која је одређена оним напрезањем при којем настаје трајно продужење од 0,2% првобитне дужине шипке или штапа. Ово напрезање носи ознаку σ_0,2.

Повећањем силе напрезање σ расте, деформација ε се повећава и резултат тога је очвршћење материјала. То се дешава до σ_M, границе затезне чврстоће, односно то је напрезање при максималној сили. Тада се нагло почиње узорак материјала продужавати и смањивати пресек. Максимална сила пада, а напрезање расте док не дође до лома материјала.

Брзина деформације

Брзина деформације је важна величина која утиче на обраду материјала приликом пластичне деформације (ваљање). Повећањем брзине деформације, код хладне деформације, долази до очвршћења материјала. Последица тога је повећање напрезања код течења материјала, велики отпор деформирању, те смањење деформабилности.

φ = Δε / Δτ = V_al / h

где је: φ – брзина деформације, е - ступањ деформације, τ - временски период, V_al – брзина алата, h – висина (дужина) обратка.

Температура ваљања

Пластична деформација може бити :

• хладна пластична деформација: ако се одвија на температуре нижој од температуре рекристализације и
• врућа пластична деформација, ако се одвија на вишој од температуре кристализације (аустенит око 1100 ºC).

Хладна деформација повећава чврстоћу, а смањује пластичност зависно од ступња деформације. Врућа деформација смањује чврстоћу, односно отпорност материјала на деформацију и повећава његову пластичност или истегљивост. Код вруће деформације треба пазити и на брзину деформације, која не сме бити већа од брзине рекристализације, због могућег смањења пластичности материјала.

Рекристализација је топлотна обрада жарења којом настају кристална зрнца слична онима пре деформације. Повратком на почетну структуру смањују се чврстоћа и тврдоћа, а повећава пластичност, па се може наставити с даљњом деформацијом без прекида и лома материјала. Температура рекристализације зависи од врсте материјала и ступња деформације. Челик се лагано загрева и жари више сати на температури 550 - 650 ºC.

Гвожђе и челик

Изум машине за ваљање у Европи се може приписати Леонарду да Винчију на основу његових цртежа. Најраније ваљаонице у грубој форми, али са истим основним принципима нађене су на Блиском истоку и Јужној Азији већ 600. године пне. Међу најстарије машине за ваљање нове ере се убрајају оне које су уведени из Белгије у Енглеску 1590. године. Оне су пропуштале равне шипке између ваљака и формирале гвоздене плоче, које су затим пропуштане између ужлебљених ваљака (разреза) чиме су формиране шипке од гвожђа.

Литература

• Дегармо, Е. Паул; Блацк, Ј Т.; Кохсер, Роналд А. (2003). Материалс анд Процессес ин Мануфацтуринг (9тх изд.). Wилеy. ИСБН 978-0-471-65653-1. 
• Робертс, Wиллиам L. (1978). Цолд Роллинг оф Стеел. Марцел Деккер. ИСБН 978-0-8247-6780-8. 
• Робертс, Wиллиам L. (1983). Хот Роллинг оф Стеел. Марцел Деккер. ИСБН 978-0-8247-1345-4. 
• Доеге, Е.; Бехренс, Б.-А.: Хандбуцх Умформтецхник: Грундлаген, Тецхнологиен, Масцхинен (ин Герман), , Спрингер Верлаг. (2nd изд.). 2010. ISBN 978-3-642-04248-5. 
• Гинзбург, Владимир Б.; Баллас, Роберт (2000). Флат Роллинг Фундаменталс. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0-8247-8894-0. 
• Лее, Yоунгсеог (2004). Род анд бар роллинг. ЦРЦ Пресс. ИСБН 978-0-8247-5649-9. 
• Сwанк, Јамес M. (1965). Хисторy оф тхе Мануфацтуре оф Ирон ин Алл Агес (2нд изд.). Аyер Публисхинг. ИСБН 978-0-8337-3463-1. 
• Реед-Хилл, Роберт, ет ал. "Пхyсицал Металлургy Принциплес", , ПWС публисхинг, Бостон. (3rd изд.). 1991. ISBN 978-0-534-92173-6. .
• Цаллистер Јр., Wиллиам D., "Материалс Сциенце анд Енгинееринг - ан Интродуцтион", , Јохн Wилеy & Сонс, Неw Yорк, НY. (6th изд.). 2003. ISBN 978-0-471-13576-0. 
• Сухел кхан патхан,ИЈСРДВ5И70206 "Тхрее Роллер Роллинг Мацхине"(ИЈСРД/Вол 5/Иссуе 07/2017/270). ИССН 2321-0613

Спољашње везе

• History of Rolling Mills